Zusammensetzung von Rohbiogas

Die chemische Zusammensetzung von Rohbiogas ist im Wesentlichen vom Oxidationsgrad der eingesetzten Substrate abhängig. Bei rein chemischer Betrachtung der Stoffumsetzung ergibt sich ein Zusammenhang (siehe Abbildung) zwischen der mittleren Oxidationsstufe des Kohlenstoffs im Substrat und dem Methananteil im Rohbiogas.

Abbildung 1: Zusammenhang der mittleren Oxidationsstufe des Kohlenstoffes im Substrat und dem Methangehalt im Rohbiogas

Das Diagramm zeigt die Abhängigkeit des Methan- und Kohlendioxidgehalts des Biogases (horizontale Achse) von der mittleren Oxidationsstufe des Kohlenstoffs im eingesetzten Substrat (Y-Achse). Oxalsäure, Ameisensäure und Citronensäure ergeben mit Oxidationsstufen zwischen +3 und +1 relativ niedrige Methananteile von 10 % bis ca. 40 %. Entsprechend liegen die Anteile von Kohlendioxid bei 90 % bis 60 %. Das Diagramm zeigt die Abhängigkeit des Methan- und Kohlendioxidgehalts des Biogases (horizontale Achse) von der mittleren Oxidationsstufe des Kohlenstoffs im eingesetzten Substrat (Y-Achse). Oxalsäure, Ameisensäure und Citronensäure ergeben mit Oxidationsstufen zwischen +3 und +1 relativ niedrige Methananteile von 10 % bis ca. 40 %. Entsprechend liegen die Anteile von Kohlendioxid bei 90 % bis 60 %.

[Bildbeschreibung einblendenBildbeschreibung ausblenden]

Das Diagramm zeigt die Abhängigkeit des Methan- und Kohlendioxidgehalts des Biogases (horizontale Achse) von der mittleren Oxidationsstufe des Kohlenstoffs im eingesetzten Substrat (Y-Achse). Oxalsäure, Ameisensäure und Citronensäure ergeben mit Oxidationsstufen zwischen +3 und +1 relativ niedrige Methananteile von 10 % bis ca. 40 %. Entsprechend liegen die Anteile von Kohlendioxid bei 90 % bis 60 %.

Oxidationsstufen von zwischen 0 und -1 (Kohlehydrate, Essigsäure, Proteine, Propionsäure und Buttersäure) ergeben Methan- und CO2-Anteile von rund 50 %. Aus Fetten und Methanol (Oxidationsstufe ca. -2) entsteht Rohbiogas mit einem Methananteil von rund 70 % und einem CO2-Anteil vo 30 %.

Bei der Vergärung von Kohlehydraten werden niedrigere Methangehalte im Biogas erzielt, als bei fetthaltigen Substraten. Bei der Vergärung komplexer organischer Stoffgemische stellt sich ein mittlerer Methangehalt ein, der zusätzlich von der Löslichkeit des Kohlendioxids im Gärsubstrat und vom Prozessverlauf beeinflusst wird.

Da ein gewisser Anteil des gebildeten Kohlendioxids stets im Gärsubstrat gelöst wird, sind die tatsächlich ermittelten Methangehalte im Biogas immer etwas größer als die in der Abbildung dargestellten, errechneten Werte.

Bei einer Prozessstörung kann der Methangehalt im Rohbiogas auch deutlich niedriger sein, da in der Regel zuerst die Methanbildung gehemmt wird, während die Freisetzung von Kohlendioxid durch die fermentativen Bakterien unbeeinflusst bleibt.

Die Abnahme des Methangehaltes und die Verminderung der produzierten Biogasmenge sind daher sichere Anzeichen für eine Prozessstörung. Die unter realen Prozessbedingungen erzielbaren Gaserträge und Methangehalte einzelner Substrate sind in nachfolgender Tabelle angeführt. Der Biogasertrag der verschiedenen Stoffgruppen ist angegeben in Normkubikmeter (nNm³) je Kilogramm organische Trockensubstanz (oTS).

Tabelle: Biogasertrag und Methangehalt einiger ausgewählter Stoffe [Biogas Forum 2004]
Stoffgruppe Biogasertrag (Nm3/kg oTS) Methangehalt (Vol.-%)
Kohlenhydrate 0,7 - 0,8 55 - 60
Proteine 0,6 - 0,7 70 - 75
Fette 1,0 - 1,25 68 - 73
Bioabfall 0,35 - 0,5 55 - 68
NAWARO 0,5 - 0,7 50 - 62

Inhaltsstoffe von Biogas

Biogas ist ein Gasgemisch, das sich aus ca. 40-75% Methan, 25-55% Kohlendioxid, geringen Mengen an Stickstoff, Schwefelwasserstoff und andern Gasen zusammensetzt.

Tabelle: Inhaltsstoffe von Rohbiogas
Komponente Anteil im Biogas Vol.%
Methan CH4 40-75
Kohlendioxid CO2 25-55
Schwefelwasserstoff H2S 0,005-0,5
Ammoniak NH3 0-1
Wasserdampf H2O 0-10
Stickstoff N2 0-5
Sauerstoff O2 0-2
Wasserstoff H2 0-1
Siloxane
Staub

Bei einer Verwertung des Biogases ist Methan (CH4) die Komponente mit dem höchsten Nutzen für den Anwender. Als CH4 liegt der Kohlenstoff in seiner reduziertesten Form vor. Wird er unter Einsatz von Sauerstoff oxidiert, liefert er Energie, bis er zu Kohlendioxid umgesetzt ist.

Die Angabe des Schwefelwasserstoffes (H2S) erfolgt häufig auch in ppm (parts per million) 10.000 ppm entsprechen 1%. In landwirtschaftlichen Anlagen liegt die Schwefelbelastung eher im Bereich bis 1.500 ppm, bei der anaeroben Abwasserreinigung in der Papierindustrie können bis zu 30.000 ppm H2S entstehen.

CO2 ist die oxidierteste Kohlenstoffverbindung. Aus ihr kann keine Energie mehr gewonnen werden.

Ebenso wie CO2 ist auch Wasserdampf eine Komponente, die keinen Energiegewinn durch Oxidation mehr erlaubt. Zusätzlich besteht die Gefahr, dass der Wasserdampf bei einer Abkühlung des Gases kondensiert und dann in flüssiger Form Schäden an Mess- und Regeleinrichtungen sowie Verdichtern verursacht. Um dies zu vermeiden wird Biogas vor einer Verwertung getrocknet.

Ammoniak (NH3) und Schwefelwasserstoff (H2S) zählen ebenfalls zu den unerwünschten Gasbestandteilen. Vor allem Schwefelwasserstoff ist in jedem Biogas in messbarer Größe vorhanden. Es entsteht beim Abbau eiweißreicher Verbindungen im Substrat. NH3 wie auch H2S sind aggressive Verbindungen, die zu Korrosion von Anlagenteilen führen.

Die meisten Hersteller für Blockheizkraftwerke und Heizkessel legen Grenzwerte für Schwefelwasserstoff fest, die zur Vermeidung von Korrosionsschäden nicht überschritten werden dürfen. Des Weiteren entsteht bei der Mitverbrennung des Schwefelwasserstoffes im Biogas unerwünschtes SO2. Dieses SO2 stellt einerseits einen Luftschadstoff dar, der in Verbindung mit Wasser zu saurem Regen führt oder andererseits bereits in der Abgasführung des Blockheizkraftwerkes mit kondensiertem Wasser schwefelige- bzw. Schwefelsäure bildet und die Korrosion begünstigt.